基肥正位深施对直播水稻产量和化肥利用的影响

中国是全球最大的水稻生产国和消费国，水稻的生产与消费直接关系着我国的粮食安全[1-2]。化肥是获得农业稳产高产的关键措施，在增加粮食生产中具有不可替代的作用。作为全球最大的氮肥生产国和施用国，2016年我国平均施肥强度已达443.5 kg/hm2，是国际公认的合理施肥上限的1.97倍，其中，化肥氮的用量约占世界的30%，对当前粮食产量贡献了(45+3)%[3-4]。但是，长期过量施用化肥带来了严重的土壤退化和农业面源污染，而土壤酸化则增加了N2O等温室气体的排放，加剧全球变暖趋势，影响粮食生产和化肥施用[5-6]。

单位面积化肥施用量大和施肥不均匀是造成肥料浪费严重和利用率低的主要原因，通过改变现有化肥施用方式、提高施肥精准度将有助于减少单位面积化肥施用量，提高化肥利用率。已有研究表明，肥料深施可减少其损失，促进作物对肥料的吸收，并能增加水稻有效穗数、结实率和实粒数，是提高肥料利用率的重要方式[7]，但受施肥水平、机器性能、肥料类别、土壤属性、作物品种和气候条件等诸多要素的影响，施肥的合理深度并不统一。苏正义等[8]研究表明，旱田和水田硫铵和尿素的利用率均以施用深度为10～15 cm最高；孙浩燕等[9]的研究认为，施肥深度为1 cm时，水稻苗期根系生物量、形态指标参数和吸收面积等指标均优于其他施入深度；刘海东等[10]研究认为，施肥深度8 cm时能显著提高直播水稻的产量和氮素吸收效率；俞洪燕等[11]研究认为，氮肥施用深度能明显影响玉米苗期植株生长和养分吸收，且在施入深度为7～9 cm时效果最好；沈玉芳和李世清[12]的研究结果表明，施肥深度<20 cm时，冬小麦的根系长度、根系表面积和体积均比施肥深度>20 cm时显著增加；丁相鹏等[13]认为控施肥施入深度为10～15 cm，可显著提高夏玉米的氮素吸收量和利用率，并获得较高产量；周平遥等[14]和Rychel等[15]研究表明，氮肥深施可以减少氨挥发损失，提高氮素回收率，且施入深度大于10 cm时效果最佳，但深度施肥在一定程度上会增加尿素氮的渗透损失，从而影响肥料利用率。

水稻种植对劳动力需求大，生产成本投入高。水稻机械化种植能明显减少劳动力投入，提高生产效率。其中，水稻机直播可以减少育秧、插秧等环节，能够节约成本、减少劳动力投入，从而提高水稻生产效率 [16]。农业科技的发展促使高效率、智能化的农业机器不断被研发出来并应用生产实践，特别是现代化智能旋耕-灭茬-施肥-播种-开沟-镇压六位一体机的研发与应用，可一次性完成水稻种植过程的全部环节，大大提高了化学肥料施用深度和用量的精准度，对肥料减量施用和利用率提高意义重大。减少化肥施用量，提倡绿色生产是农业高质量发展的重要内容[17]。但在经济发达、人多地少的太湖地区，水稻生产过程中化肥施用量大、利用率不高和劳动力短缺且成本高的生产实际问题，严重制约着农业高质量发展。基于此，本研究通过借助现代化智能旋耕-灭茬-施肥-播种-开沟-镇压六位一体机进行水稻季基肥正位施用深度试验，对比研究基肥施入深度对化肥利用和水稻产量的影响，明确既能增加水稻产量和肥料利用率，又能增加稻田土壤养分储备的基肥合理施用深度，为提升水稻生产效益和肥料减量施用提供实践支撑和理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

试验区位于江苏省苏州市太仓市沙溪镇泰西村(31°33′N，121°1′E)，属亚热带季风气候，年均温15.3 ℃，年均降水量1 017 mm，土壤类型为黄泥土，土壤有机碳含量13.59 g/kg，全氮含量1.25 g/kg，全磷含量0.52 g/kg，有效磷27.37 mg/kg，速效钾含量173.33 mg/kg，碱解氮含量117.55 mg/kg，pH值7.23。

1.2 试验设计

试验共设5个基肥施入深度处理(表1)，采用太仓项氏农机有限公司研发的旋耕-灭茬-施肥-播种-开沟-镇压六位一体机进行基肥正位深施和水稻旱直播。六位一体机配置智能化控制设备，可精确控制水稻播种量、基肥施用量和施入深度，能够提高水稻播种、施肥的精准度。本试验机器对拖拉机功率要求较高，为便于机器作业，本试验采用大田试验，试验田块为常年稻麦轮作田，将一整块田分为5小块，具体情况如表1所示。

水稻播种量为芽谷75 kg/hm2(折干谷60 kg/hm2)，2019年5月28日播种，11月2日收获。各处理肥料(除对照外)、农药使用量保持一致。纯氮用量为270 kg/hm2，基肥∶蘖肥∶穗肥=3∶4∶3，分蘖肥按4∶6分2次在二叶一心、三叶一心至四叶一心期施用。其中，基肥为N∶P2O5∶K2O=20∶8∶14的复合肥，分蘖肥为含氮46%的尿素。供试品种为南粳46，千粒质量25.0 g。水分管理为常规管理，前期保持浅水(1～3 cm)、中期排水烤田、后期干湿交替，灌水后自然落干。

1.3 样品采集与处理

在水稻分蘖期、抽穗期和成熟期采集植株样品，测定株高、叶长，植株样于105 ℃杀青30 min，于80 ℃烘干至恒质量，测定茎、叶质量及不同部位的氮、磷、钾含量，测定成熟期水稻产量、千粒质量和结实率等指标。植株样品测定方法参考《土壤农业化学分析方法》[18]。

1.4 指标计算

元素收获指数(HI，Element harvest index)、吸收量和氮肥偏生产力的计算方法[19-20]如下：

元素收获指数=籽粒元素含量×产量/元素吸收量

吸收量

不同部位元素含量生物量

氮肥偏生产力=水稻经济产量/施氮量

1.5 数据处理与分析

数据的处理与分析采用Excel和SPSS等软件，单因素方差分析用于分析基肥施用深度对化肥利用率、水稻生物量及产量、养分吸收量等指标的影响(P<0.05)。相关性分析用于评价基肥施用深度对水稻产量和化肥利用率的影响。

2 结果与分析

2.1 基肥正位深施对关键生育期水稻长势的影响

施肥深度通过影响水稻对营养元素的吸收利用，对水稻茎、叶生物量产生影响(图1)。

图1-A显示，基肥施入深度对分蘖期、抽穗期和成熟期水稻叶生物量并没有显著影响。在分蘖期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0，5，10，15 cm，水稻叶生物量分别降低了29.35%，19.54%，1.38%，50.26%，基肥施入深度为10 cm，水稻叶生物量降低最少，而在基肥施入深度为15 cm，降低最多；在抽穗期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0，5，10，15 cm，水稻叶生物量分别降低了0.17%，12.86%，7.90%，6.83%，基肥施入深度为5 cm，叶生物量降低最多，基肥表施处理叶生物量降低最少；在成熟期，基肥表施或施入深度为5 cm，叶生物量分别增加了16.50%，10.03%，基肥施入深度为10，15 cm，叶生物量分别降低了2.36%，12.73%。基肥施入深度能明显影响成熟期水稻茎生物量(图1-B)。在分蘖期，与不施肥处理相比，基肥施入深度为0，15 cm，水稻茎生物量分别降低了19.18%，41.69%，水稻茎生物量在基肥施入深度为5，10 cm，分别增加5.36%，4.54%，基肥施入深度为15 cm，水稻茎生物量降低最多，而在基肥施入深度为5 cm，水稻茎生物量增加最多；在抽穗期，基肥施入深度为0，10，15 cm，水稻茎生物量分别高于不施肥处理1.71%，7.40%，8.87%，基肥施入深度为5 cm，茎生物量减少3.30%，基肥表施处理茎生物量降低最少；在成熟期，基肥施入深度为0，5 cm，茎生物量分别增加了13.97%，13.10%，基肥施入深度为10，15 cm，水稻茎生物量明显减少了17.49%和8.41%，变化显著(P<0.05)。

基肥不同施入深度下，分蘖期和抽穗期水稻茎、叶生物量间无明显差异。但是，基肥施入深度对分蘖期水稻叶生物量的影响最大，在抽穗期，由于前期补充了分蘖肥，可以吸收更多的营养物质，基肥施入深度对水稻叶生物量的影响减弱，而在成熟期，水稻叶生物量随基肥施入深度的增加而降低，说明基肥施入深度对水稻生长产生重要影响。因基肥施入后入渗量随施肥时间延长趋于明显[21]，且受下渗累积深度的影响，在水稻生育后期，基肥深施能够为根部提供更多的养分供应[22]，从而对成熟期茎生物量产生明显影响。这说明在基肥不同施入深度下，成熟期水稻茎生物量与不同生育期水稻对营养元素的需求和土壤供肥能力之间的耦合关系密切[2，16，23-24]。在水稻产量没有明显减少的情况下，成熟期水稻茎、叶生物量的减少可以缓解秸秆还田压力，有利于改善环境。因此，10～15 cm为基肥施入的相对适宜深度。

2.2 基肥正位深施对氮磷钾吸收量的影响

图2-A、B显示，基肥施入深度对分蘖期、抽穗期和成熟期水稻叶的吸氮量并没有显著影响，但能明显影响分蘖期和成熟期的茎吸氮量。与不施肥处理相比，基肥不同施入深度下，水稻叶吸氮量在各个生育期均降低，且在基肥施入深度为15 cm最低。在分蘖期，基肥施入深度为5 cm水稻茎吸氮量增加13.33%，在基肥深施10 cm水稻茎吸氮量增加56.00%(P<0.05)，基肥施入深度为0，15 cm，水稻茎吸氮量分别减少33.33%，26.67%；在抽穗期，水稻茎吸氮量在基肥表施时无明显变化，在施入深度为5，10，15 cm，茎吸氮量分别减少6.48%，7.51%，8.19%；在成熟期，基肥施入深度为0，5 cm，水稻茎吸氮量分别增加28.78%，25.85%，增加显著(P<0.05)，基肥施入深度为10，15 cm，水稻茎吸氮量分别减少了5.85%，1.95%。基肥施入深度能够影响水稻对氮素的吸收，基肥施入过深并不利于氮素的吸收和转运。

图2-C、D显示，基肥施入深度对分蘖期水稻叶和茎的吸磷量、成熟期茎的吸磷量产生明显影响。与不施肥处理相比，在分蘖期，基肥表施和施入深度为15 cm，水稻叶的吸磷量分别减少了66.67%，33.33%；在抽穗期，基肥施入深度为5，15 cm，水稻叶的吸磷量分别减少了14.18%，18.58%；在成熟期，基肥深施5 cm时，水稻叶的吸磷量增加7.69%，基肥深施15 cm，水稻叶的吸磷量降低2.56%。在分蘖期，水稻茎的吸磷量在基肥表施和深施15 cm均减少了50.00%，在基肥深施10 cm时增加了25.00%；在抽穗期，基肥深施10，15 cm水稻茎的吸磷量略有增加；在成熟期，基肥表施和深施5 cm，水稻茎的吸磷量显著增加，分别为47.32%，59.82%(P<0.05)，基肥深施10 cm和15 cm，显著降低了茎的吸磷量，分别降低39.29%，51.79%(P<0.05)。基肥施入深度能够明显影响水稻对磷素的吸收、利用。

基肥施入深度对分蘖期水稻叶的吸钾量影响显著，对茎的吸钾量影响不明显(图2-E、F)。与不施肥处理相比，在基肥施入深度为0，5，10，15 cm时，分蘖期水稻叶的吸钾量分别降低了50.00%，37.50%，37.50%，50.00%，下降明显(P<0.05)，成熟期分别降低4.84%，7.26%，7.26%，16.13%，下降不明显；水稻分蘖期茎的吸钾量在基肥施入深度为0，15 cm时均降低了33.33%，而在基肥深施10 cm时增加了11.11%，在成熟期，基肥表施和深施5 cm时，水稻茎的吸钾量分别增加了15.56%，7.16%，而在基肥施入深度为10，15 cm时，降低了14.81%和8.40%。基肥施入深度对水稻吸钾量的影响主要体现在水稻生长前期。

总体上看，在不同生育期，基肥施入深度对水稻茎和叶部位元素吸收量的影响与元素自身特性有关，分蘖期水稻叶的吸钾量各处理间差异明显，而对其他生育期叶的元素吸收量不产生明显影响。基肥施入深度对成熟期茎部吸氮量和吸磷量的影响差异明显，体现了其累积效应。氮、磷、钾是水稻生长发育必需的营养元素，对促进营养元素吸收、转运及糖类和脂类物质代谢等过程起着重要作用，并影响水稻净光合速率[25-28]。基肥深施影响了水稻对营养元素的吸收与转运，并对水稻生长发育产生影响[10，29]，且在基肥施入深度在10，15 cm时，茎部元素吸收量明显降低，说明基肥施入不宜过深，最大施入深度应在10 cm以内。

2.3 基肥正位深施对水稻产量的影响

基肥施入深度能显著影响水稻产量，在基肥施入深度为10 cm时，水稻产量最高，且明显高于不施肥、基肥表施和施入深度为5 cm处理的水稻产量(表2)。可见，基肥施入深度超过10 cm时有利于提高水稻产量。就水稻产量构成而言，基肥施入深度为15 cm时，能显著减少水稻穗数(P<0.05)，而基肥表施则有利于增加水稻穗数，且每穴穗数随基肥施入深度的增加呈降低趋势，但是穗粒质量呈增加趋势；基肥施入深度对增加水稻千粒质量的影响不明显，在基肥施入深度为15 cm时，千粒质量最大；除基肥施入深度为5 cm时，水稻结实率比不施肥处理略有降低外，其他施入深度下，水稻结实率均增加，且在基肥施入深度为15 cm时最高。

当基肥施入深度小于5 cm时，有助于促进水稻分蘖，增加水稻穗数，而当基肥施入较深时，并不利于水稻分蘖，这主要是因为在水稻分蘖期前，水稻根系较小，基肥施入较浅时，能提供相对更加充足的养分供应，水稻根系可吸收更多的养分并促进其生长。另外，深度施肥对土壤的扰动较大，使土层更加破碎，从而提高土壤的通气性能，还能抑制有害细菌的生长，促进水稻根系生长[29]。基肥深施在一定程度上可以控制无效分蘖，特别是分蘖期后，水稻根系可吸收更深土层的营养物质，并转运至地上部分，增加水稻有效穗数[30-31]。虽然有效穗数对产量不产生明显影响，但是，每穗粒数却与水稻产量显著相关[32-33]，而基肥施入深度又能影响水稻对养分的吸收利用，并对水稻产量产生影响。因此，在基肥施入深度为10，15 cm时，水稻每穗粒数、千粒质量和结实率都是最高的。但是，基肥施入过深时又会增加肥料渗漏损失，影响水稻生长和肥料利用[34]。结合表1可知，从增加水稻产量，提高作业效率的角度考虑，基肥施入的最合理深度为10 cm。

2.4 基肥正位深施对化肥利用率的影响

施肥增加了氮、磷、钾元素的收获指数，基肥施入深度对氮、磷、钾元素收获指数的影响并不相同。与基肥表施相比，氮素收获指数在基肥深施5，10，15 cm时，分别增加了3.14，5.03，1.37百分点，氮素收获指数随基肥施入深度呈现先升高再降低的趋势，在施入深度为10 cm时最大(图3-A)；基肥施入深度对氮素收获指数产生极显著影响(P<0.01)，根据模拟曲线估算可得，氮肥收获指数最大时，基肥施入深度为10.5 cm；氮肥偏生产力也呈现随基肥深度增加先增加后减小的趋势，但基肥施入深度对氮肥偏生产力的影响不明显，通过二次方程模拟可得，氮肥偏生产力最高时的基肥施入深度为9.3 cm(图3-B)；与基肥表施相比，磷素收获指数在基肥施入深度为5 cm时下降了11.18百分点，而在基肥施入深度为10,15 cm时分别增加了10.40,11.81百分点，随基肥施入深度呈现先降低再升高的趋势(图3-C)，但基肥施入深度对磷素收获指数的影响不明显；基肥施入深度显著影响钾素收获指数(P <0.05)，在基肥施入深度为5，10，15 cm时钾素收获指数比基肥表施处理分别增加21.81，15.92，11.50百分点，呈现出随基肥施入深度先升高再降低的趋势(图3-D)，借助二次曲线模拟可知，钾素收获指数最大时基肥施入的合理深度为7.0 cm。综合而言，当基肥施入深度不超过10 cm时，有利于提高氮、磷、钾元素的收获指数和氮肥偏生产力。由图3可知，氮素和钾素收获指数随基肥施入深度的变化趋势相似，与磷素的变化趋势相反。基肥施入深度对氮素吸收利用的影响最为明显，其次是钾肥，对磷素的影响最不明显。结合表1可知，基肥施入深度7.0～10.5 cm为获得最高化肥利用率的较为合理深度，其他相关研究也认为基肥施入深度不宜超过10 cm[7-8，14 ]。

2.5 基肥正位深施水稻产量影响因素分析

化肥投入是保障水稻产量的关键措施，对水稻产量及产量构成产生重要影响。表3显示，基肥正位深施处理下水稻产量与氮、磷元素收获指数间显著相关，相关系数分别为0.639和0.544(P<0.05)，钾素收获指数与水稻产量间无显著相关性。千粒质量、结实率与水稻产量间也没有显著相关性，施肥深度虽能影响水稻产量，但对水稻产量并不产生决定性影响。

元素收获指数反映了作物生长与营养元素的利用状况(表4)。水稻茎的吸氮量对氮素收获指数的影响最大，且呈负相关，相关系数为0.732(P<0.01)。这说明成熟期茎部吸氮量的增加会减弱氮素向籽粒的转运，从而影响水稻产量，而且水稻叶长、叶和茎的生物量增加时，会将更多的氮素储存在水稻茎叶中，减少籽粒对氮素的吸收，降低氮素收获指数，从而影响作物对氮素的有效利用。磷素收获指数仅与水稻叶长和籽粒吸氮量之间呈不显著正相关，与其他因素间均呈负相关关系，且与茎生物量、茎吸磷量和茎吸钾量之间呈显著负相关关系(P<0.05)，相关系数分别为0.552，0.925，0.669，其中，茎的吸磷量和吸钾量对磷素收获指数的影响更大(表4)，这也说明当水稻茎、叶生物量增加时，更多的磷素会储存在水稻茎、叶中，从而降低籽粒对磷素的吸收利用，因此，降低磷素收获指数，磷素的有效利用率也降低。钾素收获指数与籽粒的吸磷量和吸钾量之间呈显著正相关(P<0.05)，与茎生物量之间呈不显著正相关，但与茎的吸氮量、吸磷量和吸钾量之间呈不显著负相关，说明茎生物量增加有利于提高钾素利用效率，并促进茎部营养元素向籽粒的转运，从而提高钾素收获指数(表4)。但是，由于水稻不同部位之间氮、磷、钾元素的吸收、转运特征存在差异，水稻茎、叶生物量增加对3种元素收获指数的影响并不相同。根据本研究结果，水稻对氮、磷、钾元素的吸收利用不仅受化学肥料的施用方式和施入深度的影响，营养元素自身性质和水稻品种的影响也是非常重要的。基肥深施对提高营养元素收获指数具有积极作用，基肥采用复合肥进行深施可减少施肥次数，减轻机器作业对土壤耕层厚度、通气透水性能和保肥保水能力的影响，降低生产成本。同时，基肥深施也可减少肥料挥发等损失，促进作物对营养元素的转运、吸收，提高肥料利用率[14-15，35]。另外，培育秸秆量少、收获指数高的水稻品种也是提高化学肥料利用率的有效途径[36]。

3 结论与讨论

应用旋耕-灭茬-施肥-播种-开沟-镇压六位一体机进行基肥深施对水稻生长和肥料利用产生重要影响。基肥深施对水稻茎生物量的影响要强于对叶生物量的影响，特别是对成熟期水稻茎、叶生物量的影响要比其他时期更明显，从而影响水稻对营养元素的吸收和转运，使成熟期水稻茎的吸氮量、吸磷量和吸钾量因基肥施入深度表现出明显差异，进一步影响营养元素收获指数。氮肥是施用量最大的肥料，氮素施用量与氮素渗漏密切相关，而且氮素渗漏量表现出随土层深度增加而增加的趋势，从而影响作物对氮素的利用[34-35]。基肥深施对提高元素吸收、利用表现出积极作用，但是，并不是基肥施入越深，越有利于元素吸收利用。除了肥料自身差异的影响之外，土壤中营养元素的剖面分布特征、作物品种间养分需求特征的差异和作物根系的生长特征等，都能影响作物生长及其对营养元素的吸收利用，是影响粮食产量和肥料利用的重要因素[9-12，29]。基肥正位深施有利于提高肥料利用率，是实现农业化肥减量施用的有效措施。综合水稻产量、营养元素吸收量和收获指数的变化特征，本研究认为水稻种植中，采用复合肥作基肥，施入的适宜深度在7.0～10.5 cm。

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